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球墨铸铁管的防腐涂层

发布时间:2014-10-31

一、球墨铸铁管的腐蚀
1.概况
铸铁管在土壤里,或与空气接触时会被腐蚀。球墨铸铁管与灰铸铁管的耐腐蚀性能很接近(LaQue实验),它们在这方面优于钢,得益于其金相组织中的石墨屏障,但差异并不明显。球墨铸铁管在腐蚀性土壤中使用6年后被腐蚀的情况见图1。
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图1 球墨铸铁管在腐蚀性土壤中使用6年后被腐蚀的情况
圣戈班管道系统曾对由16支球墨铸铁管组成的管线进行电流强度的实验,实验简图见图2。实验条件为:土壤表面的电阻率ρ=1500Ω·cm,实验数据见表1。
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图2 球墨铸铁管线电流强度的实验简图
表1    16支球墨铸铁管组成管线的电流强度实验数据

无分支管路的数量
电流强度(mA)
备    注
0
300
全部连接闭合
1
32
 
2
16
 
4
6
 
8
2.1
 
16
0.35
无闭合连接

从表中可知,电流强度通过T型接头得到缓解,管线中的环行电流通过16个接头下降1000倍。
2.地下腐蚀
1)研究土壤特性,确定合适的防腐方案 按照土壤的特性,土壤的腐蚀可分为:电化学腐蚀、细菌腐蚀、杂散电流腐蚀和化学腐蚀等四类。球墨铸铁管在土壤中的主要腐蚀形态为:电化学腐蚀。
按土壤的腐蚀特性,可分为三种主要类型:
①富氧性土壤    腐蚀介质为氧;
②厌氧性土壤    腐蚀介质为硫酸盐(细菌);
③酸性土壤      腐蚀介质为质子。
2)电化学腐蚀 氧的电位为1.4mV,铁的电位为-0.44mV,故在土壤中会发生如下的电化学反应,因而对球墨铸铁管产生腐蚀。
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图3 球墨铸铁管地下管线典型的腐蚀形式
二、土壤分析方法和结果
1.土壤电阻率测量原理
采用Wenner方法测定土壤电阻率,测定方法的原理见图4。
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图4 用Wenner方法测定土壤电阻率的原理图
测定的电阻率公式如下:
R=2π×a×L                                 (公式1)
式中 R――电阻率 Ohm·cm;
a――电极间距 cm;
L――电阻测量值 Ohm。
R0=R/[1+x(T0-T)]                            (公式2)
式中 R――在某一温度(T)下电阻率;
R0――在18℃时的电阻率;
T――测量时的土壤温度;
T0――18℃
x――修正值。当T≤18℃,x=0.03;当T>18℃,x=0.02。
2.土壤类型
按照地质情况,土壤的类型见表2。
表2    土壤的类型

编号
描                         述
Gs0
团状,掺有水泥类材料
Gs1
粗颗粒团状土壤,以石子为主
Gs2
细石子,砂石混合物,粗砂混合物粗颗粒团状土壤
Gs3
颗粒混合土壤,有少量细粘土,并掺有细砂混合物,粘土化砂石混合物,风化砂
Gs4
颗粒混合土壤,有大量细粘土,并掺有很细砂混合物,粘土化砂石混合物,大量细风化砂
Gs5
细颗粒粘土,很细颗粒的粘土化砂石混合物
Gs6
生态土壤和粘土的混合物
Gs7
生态土壤,高生态土,淤泥

3.土壤分析结果 土壤类型 水分(%)
2004年圣戈班管道系统公司在中国国内15个城市做了土壤调查,每个城市随机抽检15个点,其平均值见表3。
表3   国内15个城市土壤调查情况

项 目
舟山
苏州
上海
宁波
杭州
温州
南京
珠海
土壤电阻率
1,300
2,000
8,000
1,300
4,300
2,300
1,900
10,100
土壤类型
Gs3
Gs4
Gs4
Gs5
Gs2
Gs5
Gs5
Gs4
水分(%)
22
14
26
13
28
17
11

项 目
深圳
广州
合肥
郑州
徐州
北京
天津
土壤电阻率
12,500
1,900
1,700
6,000
6,200
2,400
500
土壤类型
Gs3
Gs5
Gs4
Gs4
Gs3
Gs5
Gs5
水分(%)
9.5
11
16
19.5

三、土壤条件和保护
1.评估方法
①评估内容 应测定土壤的如下几个内容:
·土壤特性                       ·PH值
·潮湿度                         ·土壤异质
·土壤盐度                       ·污染
②电阻率测定通常提供了一个好的评估方法。
③腐蚀度水平 由给定参数的关键确定
④评估标准 a.NFA05-250,b.DIN50929 part3,c.AWWA C-105。
2.外部防腐措施
1)主动保护 根据阴极保护理论,最合适的防护措施应采用:
①锌+沥青;
②锌+铝。
2)被动保护 应在土壤与金属之间形成一种水密性的屏障。最合适的防护措施应采用:
①聚乙烯衬套;
②聚氨脂;
③环氧。
3)外部保护措施 保护方法取决于土壤的腐蚀程度。法国圣戈班穆松桥公司通过对土壤的分析,对不同腐蚀特性的土壤采取如下的外部保护措施。
①一般腐蚀和非腐蚀土壤:采用外喷锌方法,获得致密的锌层转化物;
②高腐蚀性土壤:采用补充的聚乙烯衬套,使与管道接触的介质腐蚀均匀;
③极端腐蚀性土壤:采用特殊涂层,在土壤与管道之间形成一层致密的防护层。
3.评估方法
评估方法可简化为土壤电阻率和湿度,可按表4数值进行评估。
表4 土壤条件的评估

电阻率Ω·cm
>2500湿
/1500干
2500湿/1500干
~1500湿/750干
<1500湿/750干
(例:1000)
土壤腐蚀性
低、中
很高

4.保护措施
按不同土壤条件和电阻率,采取表5所列的保护措施:
表5 按不同土壤条件和电阻率采取的保护措施

电阻率Ω·cm
土壤排水性能差,土壤水分>20%
土壤排水性能好
粘土,有地下水
砂,石子
0~750
特殊保护层
750
特殊保护层
喷锌+聚乙烯衬套
1500
喷锌+聚乙烯衬套
 
>2500
喷锌

5.不同外部涂层的性能比较
对所采用的外部涂层,其性能见表6。
表6 不同外部涂层的性能比较

特   性
铸       管
管      件
锌+MPE(1)
聚乙烯
聚氨脂
纤维
水泥
耐蚀
胶带
沥青漆
环氧树脂漆
环氧树脂粉末
机械性能
冲击
++
++
击穿
++
++
粘着
++
++
+/-
安装
切削和连接(2)
+++
++
NS
NS
NS
连接
+++
++
++
NS
NS
NS
铸管就位(回填土)
++
+++
存放/运输
++
++
-/+
防腐
ρ>2500Ω·cm
++
++
++
++
1500<ρ<2500Ω·cm
-/+
ρ<1500Ω·cm
 
污染土壤
-/+
++
++
-/+
++
杂散电流
-/+
++
++
++
++
粗颗粒(3)
++
++
++
++
++
++
++
温度(℃)
冷态(Tmin)存放
-30
-20
-20
-20
-20
-20
-30
-30
-20
热态(Tmax)运行
+50
+50
+50
+60
+50
+40
+30
+40
+60

注:                                  涂层适用性
(1)聚乙烯                                 “-”:      不适用
(2)切削后连接                             “+”:      适用
(3)在涂层损坏时有集中腐蚀危险             “++”:    良好
“+++”: 优
NS:        不可应用
6.不同外部涂层的厚度比较
在覆盖土、沉没入或地面上铸管的外部涂层见表7。
表7 在覆盖士、沉没入或地面上铸管的外部涂层

涂层
状态
最小厚度
正常条件(“标准”涂层)
+密封涂层
金属层
沥青或环氧树脂涂层
130g/m²
70μm
腐蚀条件(“特殊”涂层)
+密封涂层
+聚乙烯衬套
金属层
漆涂层
薄膜
130g/m²
70μm
200μm
聚乙烯
在热熔胶上的挤出层
1.8mm(DN≤100mm)
2.0mm(DN≤250mm)
2.2mm(DN≤450mm)
2.5mm(DN≤700mm)
3.0mm(DN>100mm)
聚氨脂
在抛丸表面上喷射涂层
700μm
+粘合胶
+纤维水泥
金属层
涂刷层
喷射层
130g/m²
0.1mm
4.0mm(DN≤300mm)
5.0mm(DN≤600mm)
6.0mm(DN>600mm)
塑料防腐胶带
有50%重叠的一层
1.6mm
内部涂装
聚丙稀或丙三醇苯二酸内衬层
喷射涂层
30μm

7.聚乙烯衬套
1)应用领域:a.腐蚀性土壤;b.有直流电场合。
2)使用情况:a.在美国经常采用;b.推荐使用在工业地区的腐蚀性土壤中。
3)采用的标准:
·ANSI/AWWA C105/A21.5              ·BS6076
·ISO8180                           ·DIN30674-5
4)PE衬套的优势
·不贵                              ·容易安装
·不需要维护                        ·不会腐蚀地下土
·容易用PE胶带维修                 ·运输方便
·提供了一致的环境,本质上减少了电化学腐蚀电池。
四、喷锌保护
1.锌防腐限制性地区
如在海滨、盐碱地、沼泽地、腐植土、含有硫磺炉渣、垃圾、酸性工业废水等土壤里,变电所、高压线附近、某些化工厂内以及其他对铸铁管有较强的腐蚀地段。在这些地段,球铁管将容易遭到腐蚀,从而会给工业投资带来巨大损失。
锌防腐限制性地区主要在以下三种场合:a.土壤电阻率<1500Ω·cm;b.酸性土壤,PH≤5.5;c.地区有强烈直流电的影响。
2.喷锌保护原理
1)喷锌保护有3个特点:a.电保护;b.锌转化成一个稳定的物质(保护层);c.锌层能自动愈合。按照电池原理,可进行活性保护。
喷锌保护原理见图5。
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图5 喷锌保护原理图
2)外涂层厚度 Zn200g/m²+沥青70μm。
经上述外涂层保护后球铁管的使用实例见图6。
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图6 经喷锌和涂敷沥青后球铁管的使用实例
3.喷锌保护效果
根据苏伊士里昂水务集团在1988年对49条使用10~20年的管网所作的调查(见表8)发现:85%的未喷锌球墨铸铁管出现了不同程度的腐蚀,而只有2根喷锌球墨铸铁管出现0.5mm的轻微腐蚀。另外根据圣戈班法国总公司的内部统计,在1961年到1974年投入使的的8万公里球墨铸铁管中,未喷锌管道的每千公里损坏率是喷锌管道的20倍。由此可见,喷锌对管道的寿命起到了举足轻重的作用,圣戈班管道系统因此对所生产的全部球墨铸铁管都进行喷锌处理,以保证客户的利益。
表8     喷锌管和未喷锌管腐蚀程度比较

项         目
普通沥青涂层
喷锌+沥青涂层
1984年统计的开始腐蚀的数量 35 9
1961-1974年埋设的管数 13700 65150
比率(被腐蚀的根数/煤1000KM) 2.55 0.14

圣戈班管道系统几十年的经验积累证明绝大部分土壤只是有轻微腐蚀性,所以锌+沥青涂层完全可以满足工程需要。
4.喷锌保护的背景资料
1)应用历史 穆松桥铸管公司在1938年做了第一个试验,并于1958年第一次投入生产,应用球墨铸铁管中。
2)技术规范 a.喷锌层(>99%)不低于130g/m²;b.外涂层(沥青或环氧)>70μm。
3)标准 a.EN545;b.ISO8179;c.GB/T17456-1998(等同ISO8179)。
4)要求 
①材料:含锌(Zn)量>99%;
②施工方法:采用热喷涂;
③外观质量:应无螺旋线,无破损,附着力强;
④喷锌量:≥130g/m²,局部≥110g/m²。
⑤实验方法:采用薄膜条。
五、结论
1)铸铁管的腐蚀问题是值得关注的。
2)腐蚀的风险取决于土壤条件(电阻率,地下水)。
3)根据土壤腐蚀的状况选择合适的防腐蚀措施将成为今后的趋势。
4)从目前看,锌层防腐在中国仍旧可以满足大部分土壤条件。

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